微波熱療陣列天線設計

王守源 張麗華 臧家偉 王學田

【摘要】? ? 基于電磁聚焦理論，本文設計一種工作于2.45GHz的4×4近場聚焦微帶陣列天線。選取具有寬帶特性的U形槽天線作為陣元，通過調整微帶饋線的長度，控制每個輻射單元的電場在給定點處相位相同，實現同向疊加，達到近場聚焦的目的。利用三維電磁仿真軟件HFSS18對陣列天線進行仿真，結果表明：聚焦天線可以很好的在焦點位置實現聚焦。該陣列天線可用于微波體外熱療。

【關鍵詞】? ? 微波熱療? ? 近場聚焦? ? 微帶天線? ? 陣列天線

引言

微波熱療指的是利用微波在生物組織中的熱效應，使組織升溫將腫瘤細胞滅殺，達到治療目的的技術方法。微波熱療[1]分為體內熱療和體外熱療兩種，前者要求將天線插入人體內，利用天線的熱效應對腫瘤進行治療;后者要求利用近場聚焦天線[2]將微波能量聚集到較小區域。聚焦天線可以將電磁波聚焦到目標位置，而微帶陣列天線具有結構簡單，體積較小，易于共形，成本較低等優點，并且可以通過移相器控制傳輸相位實現近場聚焦，是微波熱療天線的優先選擇。

本文設計了一種用于體外熱療的4×4微帶陣列天線，天線總體尺寸為305mm×310mm×1.6mm，結構簡單，體積較小。

一、微帶陣列天線結構設計

本文設計的近場聚焦微帶天線陣列如圖1所示。

1.1微帶貼片單元設計

選擇U形槽天線[3]作為陣列天線的陣元，中心頻率為2.45GHz的醫用電磁波頻率。在輻射貼片開槽可以改變貼片中電流分布，激發相對較低的諧振頻率，與較高諧振頻率相互作用，擴展微帶天線的帶寬。介質板材料為FR4（εr=4.4），厚度為1.6mm。采用特性阻抗100歐姆的微帶線對陣元進行饋電。圖2為貼片單元的反射系數。

1.2近場聚焦微帶陣列設計

以上一小節微帶貼片單元構建4×4陣元數的近場聚焦微帶陣列，采用并饋的微帶功分網絡對陣元進行饋電。為減小耦合效應，天線之間的距離需大于0.5倍波長。為避免天線方向圖出現柵瓣，因此陣元間距要小于一個波長。本文種陣元之間的距離d為0.7倍波長[4]。

通過改變陣元之間的傳輸線的距離來補償各單元之間的相位差，使各陣元之間的相位到達近場某個焦點時相差一個波長的倍數實現聚焦[5] 。

本文天線設定聚焦點距離陣列天線的距離zf為400mm，天線左上4個陣元所需補償微帶線長度增加分別為0mm，9.65mm，9.65mm，19.69mm。由對稱關系可知，其他12個陣元微帶線增加長度與左上2×2陣元相同。

二、仿真與結果

本文所設計的聚焦微帶陣列天線的仿真結果如下。圖3為天線反射系數S11曲線。從圖中可以看出天線反射系數小于-10dB的工作帶寬為2.33-2.52GHz，其中在醫用頻段2.45GHz處，S11為-20.65dB，說明天線阻抗匹配較好，微帶陣列天線輻射效率高。

圖4為聚焦微帶陣列天線沿z軸方向歸一化的電場強度仿真結果，該曲線表明，最大電場強度出現在305mm處，天線的聚焦深度為165mm。微帶陣列天線每個陣元所輻射的電磁波到達聚焦點時實現同向疊加，從而實現能量聚焦。

圖5為電場最大強度處平行于聚焦陣列天線平面的電場分布圖?？梢钥闯觯劢固炀€電場強度衰減3dB時，形成一個直徑約為100mm的圓形焦斑，電場強度在中心處最集中，四周逐漸減弱，說明該陣列天線可以實現聚焦功能。

三、結論

基于近場聚焦理論，本文設計了一種可實現近場聚焦的微帶陣列天線。選取U形槽天線作為陣列天線的陣元，調節饋電點到陣元之間的微帶線長度，實現各陣元輻射的電磁波在聚焦點處同向相加。通過仿真計算，該陣列天線聚焦于距離天線表面305mm處，聚焦深度約為165mmm，焦平面3dB范圍是直徑約為100mm的圓形光斑，能夠很好的實現近場聚焦。該天線可用于醫療微波熱療。

參? 考? 文? 獻

[1]馬立冬，白佳俊，付云起.8mm點聚焦透鏡天線設計[J].現代電子技術，2016，39（11）：79-81.

[2]艾海明，吳水才，趙磊，高宏建，曾毅.微波熱療中的關鍵技術及其熱點問題[J].中國組織工程研究與臨床康復，2009，13（04）：731-734.

[3]Khidre A，Lee K F，Elsherbeni A Z，et al.Wide Band Dual-Beam U-Slot Microstrip Antenna[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation，2013，61（3）：1415-1418.

[4]Levine E，Malamud G，Shtrikman S，et al.A study of microstrip array antennas with the feed network[J].IEEE transactions on antennas and propagation，1989，37（4）：426-434.

[5]趙偉，韋高，陳柏嘉.近場聚焦微帶陣列天線研究[J].微波學報，2014，30（2）：46-48.